Orientadores: Telma Teixeira Franco, Marcus Bruno Soares Forte

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: As biomassas lignocelulósicas têm atraído o interesse para a obtenção de produtos derivados de alto valor agregado, como é o caso dos xilooligossacarídeos (XOS) a partir do hidrolisado da palha de cana-de-açúcar (SSHL). O SSHL contém, além de diversas impurezas (açúcares, ácidos orgânicos,...

Resumo: As biomassas lignocelulósicas têm atraído o interesse para a obtenção de produtos derivados de alto valor agregado, como é o caso dos xilooligossacarídeos (XOS) a partir do hidrolisado da palha de cana-de-açúcar (SSHL). O SSHL contém, além de diversas impurezas (açúcares, ácidos orgânicos, compostos furânicos e fenólicos), uma mistura de xilose (X1), XOS de baixas massas moleculares (LMW XOS) compostos por xilobiose (X2) e xilotriose (X3) e XOS de altas massas moleculares (HMW XOS) compostos por xilotetraose (X4), xilopentaose (X5) e xilohexaose (X6). Os LMW XOS apresentam potencial de aplicações biotecnológicas, além de apresentarem potencial prebiótico já que estimulam o crescimento de bactérias benéficas no intestino humano com consequentes e notáveis benefícios à saúde. Portanto, o desafio do fracionamento dos LMW XOS provenientes do SSHL é um gargalo a ser superado e, nesta finalidade, destaca-se a integração de membranas como solução tecnológica pois são sistemas geralmente compactos, energeticamente econômicos, facilmente operáveis e ambientalmente sustentáveis. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi propor e avaliar um sistema integrado em série com duas membranas de nanofiltração (NF) para o fracionamento dos LMW XOS presentes no SSHL. Foram selecionadas membranas de NF comparando-se os coeficientes de rejeição e os fluxos de permeado obtidos das filtrações em condições fixas de 30 bar de pressão (P), 35 ºC de temperatura (T) e pH 4,6. Em seguida, foram otimizadas as condições operacionais de P, T e pH de cada uma das membranas selecionadas por delineamento composto central rotacional (CCRD) utilizando-se as respostas de coeficiente de rejeição e fluxo de permeado considerando uma validação final nas condições ótimas. Finalmente, o sistema em série de fracionamento foi melhorado para as duas membranas selecionadas sob as condições operacionais otimizadas considerando-se operações de diafiltração (DF) para aumentos da concentração, pureza e rendimento dos LMW XOS. A primeira membrana selecionada para a retenção dos HMW XOS permeando-se os LMW XOS e a X1 foi a NP030 com condições operacionais otimizadas de 40 bar, 20 ºC e pH 4,6. A segunda membrana selecionada para a retenção dos LMW XOS permeando-se a xilose foi a TS40 com condições operacionais otimizadas de 20 bar e 50 ºC e pH 4,6. A melhoria do sistema de fracionamento em série para a produção de LMW XOS apresentou uma concentração de 3,7 g/L, pureza de 20,9% e rendimento de 46,0% sob a operação de uma DF para cada NF. O sistema de fracionamento em série dos LMW XOS provenientes do SSHL demonstrou ser uma estratégia promissora com potencial para ser empregada em etapas de purificação desde que combinada com outras estratégias de downstream processing

Abstract: Lignocellulosic biomasses have attracted interest to obtain derived products with high added value, as is the case of xylooligosaccharides (XOS) from the sugarcane straw hydrolyzed liquor (SSHL). The SSHL contains, in addition to several impurities (sugars, organic acids, furanic and...

Abstract: Lignocellulosic biomasses have attracted interest to obtain derived products with high added value, as is the case of xylooligosaccharides (XOS) from the sugarcane straw hydrolyzed liquor (SSHL). The SSHL contains, in addition to several impurities (sugars, organic acids, furanic and phenolic compounds), a mixture of xylose (X1), low molecular weight XOS (LMW XOS) composed by xylobiose (X2) and xylotriose (X3) and high molecular weight XOS (HMW XOS) composed by xylotetraose (X4), xylopentaose (X5) and xylohexaose (X6). LMW XOS have potential for biotechnological applications, besides having prebiotic potential as they stimulate the growth of beneficial bacteria in the human intestine with consequent and notable health benefits. Therefore, the challenge of fractionation of LMW XOS from SSHL is a bottleneck to be overcome and, in this regard, the integration of membranes as a technological solution stands out because they are generally compact, energetically economical, easily operable and environmentally sustainable systems. Therefore, the objective of this work was to propose and evaluate an integrated serial system with two nanofiltration membranes (NF) for the fractionation of the LMW XOS present in the SSHL. The selection of NF membranes was carried out by comparing the rejection coefficients and permeate fluxes obtained from filtrations under fixed conditions of 30 bar of pressure (P), 35 ºC of temperature (T) and pH 4.5. Then, the optimization of the operational conditions of P, T, and pH of each selected membrane was performed by a central rotational composite design (CCRD) using the rejection coefficient and permeate flow as responses considering a final validation at optimal conditions. Finally, the serial fractionation system has been improved for the two selected membranes under the optimized operational conditions considering diafiltration (DF) operations to increase concentration, purity, and yield of the LMW XOS. The first membrane selected for the retention of HMW XOS permeating the LMW XOS and X1 was NP030 with optimized operating conditions of 40 bar, 20 ºC and pH 4.6. The second membrane selected for the retention of LMW XOS permeating xylose was TS40 with optimized operating conditions of 20 bar and 50 ºC and pH 4.6. The improvement of the serial fractionation system to produce LMW XOS showed a concentration of 3.7 g/L, purity of 20.9%, and yield of 46.0% under 1-time DF operation for each NF. The serial fractionation system for LMW XOS from SSHL demonstrated to be a promising strategy with potential to be used as one of the purification stages since it is combined with other downstream strategies

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